CN115233446A - 尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜及应用，采用弱酸或弱酸和水的混合液作为分散剂，在机械力的作用下对尼龙纳米纤维进行分散，并将纳米纤维悬浮液喷涂制得尼龙纳米纤维膜。本发明通过弱酸和机械力的协同作用下，在不影响纤维形态的情况下，实现了尼龙纳米纤维的稳定分散；并通过喷涂制得尼龙纳米纤维膜，实现了多纳米孔形貌的构筑，使其过滤性能良好，提升了纤维膜的力学性能，还因分散效果良好使纤维膜的尺寸和结构稳定，应用时不易变形，克服了目前纳米纤维膜不耐高温高压的缺点。该制备方法工艺简单、环保、安全、效果显著，易于工业化生产；制备的尼龙纳米纤维膜的综合性能达到了协同增强的效果，应用前景好。
Description
技术领域
本发明涉及尼龙纤维技术领域，尤其涉及一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜及应用。
背景技术
尼龙因其质轻、防皱性优良、透气性好以及良好的耐久性、染色性和热定型等特点，被认为是有发展前途的聚合物材料。目前制备直径小于500nm尼龙纳米纤维的方法主要有静电纺丝法和熔融海岛纺丝相分离法，然而此两种方法所制备的尼龙纳米纤维均为较长的长纤维；且由于尼龙本身极性强、力学强度高、且纳米尺度的直径使得纤维粘连缠结严重，纤维堆积过于紧密，如附图1、附图2所示，导致纺丝得到的批量化纳米级尼龙长纤维难以分散成单纤维使用，限制了其应用。因此，现有技术制备尼龙纳米纤维膜时，通常采用静电纺丝技术直接纺丝沉积成膜，此种方法纤维的沉积均匀性较难控制并且难以宏量制备，因此得到的纤维膜的性能不佳。将尼龙纳米纤维制成悬浮液再利用喷涂法喷涂成膜是一种提高膜性能的有效方法，但是由于尼龙纳米纤维分散难度高，难以将其分散为稳定的纳米纤维悬浮液，因此现有技术中尚未见有将尼龙纳米纤维制成单分散的悬浮液进而制膜的研究。另外，若长纤维在应用时需要进行改性处理，容易存在改性不均匀、效果差的问题，这些问题对于尼龙纳米纤维的应用也存在一定的限制。
针对生产的尼龙纳米纤维多为长纤维、粘连缠结严重、分散性差限制其应用，且尼龙纳米纤维膜的制备工艺存在局限性的问题，若能将尼龙纳米纤维进行分散，控制其长径比，并形成稳定的悬浮液，对其后续制备纳米纤维膜具有极大的帮助。
发明专利(申请号为CN201010542553.1)公开了一种预处理尼龙短纤维的制备方法，将尼龙短纤维进行改性于处理后，采用在剪切机上进行机械剪切的方法，制得1.0～6.0mm的预处理尼龙短纤维产品；该方法制得的尼龙短纤维具有分散性和粘合性，工艺过程无污染，常温操作，简单易控制；但是尼龙的极性较强，结晶度比较高，只采用机械剪切的方法，不容易达到更好的分散效果，且在剪切机上进行机械剪切的方法，不适用于工业大规模生产，实用性较差。
有鉴于此，有必要设计一种改进的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜及应用，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜及应用，通过制备弱酸或弱酸和水的混合液作为尼龙纳米纤维的分散剂，在机械力的作用下对尼龙纳米纤维进行分散，取得了显著的分散效果，具有环保、安全、效果显著的特点；并将尼龙纳米纤维悬浮液通过喷涂的方法制备了尼龙纳米纤维膜，该尼龙纳米纤维膜结构稳定、具有优良的过滤性能和力学性能，扩宽了尼龙纳米纤维的应用范围。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备分散剂，所述分散剂包括有机弱酸；
S2、将待处理的直径为50～500nm的尼龙纳米纤维与步骤S1制备的所述分散剂共混得到预处理液，并对其进行机械搅拌处理，得到单分散的尼龙纳米纤维悬浮液；所述预处理液中所述尼龙纳米纤维的固含量为溶剂质量的0.5wt％～5wt％。
作为本发明的进一步改进，所述尼龙纳米纤维悬浮液中的尼龙纳米纤维的平均长度为10～500μm，长径比为20～10000。
作为本发明的进一步改进，在步骤S1中，所述分散剂还包括去离子水；所述去离子水和所述有机弱酸的质量比为(0～3):(10～7)；所述去离子水和所述有机弱酸的质量比优选为2:8。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述机械搅拌处理的转速为3000～8000r/min；搅拌时间为1～3min，搅拌时间优选为2min。
作为本发明的进一步改进，所述有机弱酸包括乙酸、丙酸、乙二酸中的一种或多种；所述有机弱酸优选为乙酸，与所述去离子水配制所述分散剂。
作为本发明的进一步改进，在步骤S2中，所述尼龙纳米纤维悬浮液为均匀不分层的悬浮液，所述悬浮液的静置3天后无明显分层情况。
一种尼龙纳米纤维膜，将上述任一项所述的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法制备得到的尼龙纳米纤维悬浮液喷涂得到尼龙纳米纤维膜。
作为本发明的进一步改进，所述尼龙纳米纤维膜的厚度为1μm～3μm，拉伸强度为5～10MPa。
作为本发明的进一步改进，所述尼龙纳米纤维膜的孔隙率为40％～60％，孔径范围为50nm～800nm，过滤效率为90％～99％。
一种上述任一项所述的尼龙纳米纤维膜的应用，所述尼龙纳米纤维膜应用于废液净化领域、电化学领域、气体或颗粒过滤膜领域、医药过滤领域以及服装领域。
本发明的有益效果是：
1、本发明的一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜及应用，制备弱酸或弱酸和水的混合液作为尼龙纳米纤维的分散剂，在机械力的作用下对尼龙纳米纤维进行分散，取得了显著的分散效果，并将尼龙纳米纤维悬浮液通过喷涂的方法制备得到尼龙纳米纤维膜。该制备方法具有工艺简单、环保、安全、效果显著的特点，易于工业化批量生产；制备的尼龙纳米纤维膜具有良好的尺寸稳定性和力学性能，其综合性能达到了协同增强的效果，具有广阔的应用前景。
2、本发明在不影响尼龙纳米纤维的纤维形态情况下，实现了尼龙纳米纤维的稳定分散，扩展了尼龙纳米纤维的应用领域。采用尼龙纳米纤维悬浮液喷涂制备尼龙纳米纤维膜时，由于尼龙纳米纤维经过分散处理，具有较好的分散效果，使得在喷涂过程中不仅实现了纳米纤维交联、多纳米孔形貌的构筑，同时具有较好的过滤性能，提升了纤维膜的力学性能，还因良好的分散效果使得尼龙纳米纤维膜具有稳定的尺寸和结构，在应用时不易变形，克服了目前共聚物纳米纤维膜和纤维素纳米纤维膜耐高温高压差的缺点。
3、本发明通过弱酸和机械力的协同作用下，对尼龙纳米纤维进行分散，使其更容易喷涂成尼龙纳米纤维膜，可有效避免因尼龙纳米纤维过高的长径比、粘结堆积等引起纳米纤维膜孔隙率低的问题；通过控制尼龙纳米纤维分散后的长度和长径比，使得所制备的尼龙纳米纤维膜兼具表面连续覆盖的二维网状纤维结构和较高的孔隙率，同时具有均匀稳定的孔隙结构，且拉伸强度和热稳定性高，可应用于医药过滤领域。
附图说明
图1为现有尼龙纳米纤维的宏观图。
图2为现有技术的尼龙纳米纤维膜的扫描电子显微图片。
图3为本发明实施例1制备的尼龙纳米纤维膜的扫描电子显微图片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备分散剂，分散剂包括有机弱酸；其中，分散剂还包括去离子水；去离子水和有机弱酸的质量比为(0～3):(10～7)；有机弱酸包括乙酸、丙酸、乙二酸中的一种或多种；
优选地，有机弱酸优选为乙酸，与去离子水配制分散剂；去离子水和有机弱酸的质量比优选为2:8。当去离子水与乙酸的质量比为2:8时，制备的分散剂对尼龙纳米纤维有一定的溶解性，使尼龙中的酰胺键部分水解；但是又不会将尼龙纤维溶解，使尼龙纳米纤维仍然保持较好的纤维形态，不影响后续纳米纤维的制膜工艺。
S2、将待处理的直径为50～500nm的尼龙纳米纤维与步骤S1制备的分散剂共混得到预处理液，并对其进行机械搅拌处理，得到单分散的尼龙纳米纤维悬浮液；预处理液中尼龙纳米纤维的固含量为溶剂质量的0.5wt％～5wt％；
需要说明的是：本方法主要针对实际生产中采用静电纺丝大规模制备的尼龙纳米纤维；由于尼龙极性强、纳米级尺度的直径使得实际生产中制备的尼龙纳米纤维粘连缠结严重，纤维堆积过于紧密，如图1和图2所示；导致工业纺丝得到的批量化纳米级尼龙长纤维难以分散成单纤维使用，限制了其应用；而本发明的方法可以很好的分散此类尼龙纳米纤维，且制备的尼龙纳米纤维膜具有更好的力学性能和透气性，该方法简单易实施、成本低廉，更符合实际生产和应用的需求。
其中，机械搅拌处理的转速为3000～8000r/min，搅拌时间为1～3min，搅拌时间优选为2min；尼龙纳米纤维悬浮液中的尼龙纳米纤维的平均长度为10～500μm，长径比为20～10000。本发明通过严格控制机械搅拌的时间和转速，从而控制分散后的尼龙纳米纤维的长径比，避免纤维因长径比过小，在喷涂成尼龙纳米纤维膜后无法构筑网络结构，从而导致纤维膜力学性能变差；同时避免因纳米纤维长径比过高、粘结堆积等引起制备的纳米纤维膜孔隙率低、过滤性能差的问题。
具体地，在步骤S2中，尼龙纳米纤维悬浮液为均匀不分层的悬浮液，悬浮液静置3天后无明显分层现象。通过本发明的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，制备的悬浮液稳定且不易分层，实现了尼龙纳米纤维较好的分散效果。
一种尼龙纳米纤维膜，将上述任一项的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法制备得到的尼龙纳米纤维悬浮液喷涂得到尼龙纳米纤维膜。
特别地，尼龙纳米纤维膜的厚度为1μm～3μm，拉伸强度为5～10MPa；尼龙纳米纤维膜的孔隙率为40％～60％，孔径范围为50nm～800nm，过滤效率为90％～99％。本发明制备的尼龙纳米纤维膜具有良好的力学性能；孔隙率较高，使其具有较好的过滤性能；且尼龙纳米纤维膜的孔径较均匀，孔结构稳定，在应用时不易变形。
本发明通过控制尼龙纳米纤维分散后的长径比，经过喷涂的工艺，使得所制备的尼龙纳米纤维膜兼具表面连续覆盖的二维网状纤维结构和较高的孔隙率，同时具有均匀稳定的孔隙结构，且拉伸强度和热稳定性高。由于尼龙纳米纤维经过分散处理，具有较好的分散效果，使得在喷涂过程中不仅实现了纳米纤维交联、多纳米孔形貌的构筑，同时具有较好的透气性，提升了纤维膜的力学性能，还因良好的分散效果使得尼龙纳米纤维膜具有稳定的尺寸和结构，在应用时不易变形，克服了目前共聚物纳米纤维膜和纤维素纳米纤维膜耐高温高压差的缺点。
在一些具体的实施例中，尼龙纳米纤维膜应用于废液净化领域、电化学领域、气体或颗粒过滤膜领域、医药过滤领域以及服装领域。
实施例1
本实施例提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜，具体包括以下步骤：
S1、制备分散剂，分散剂包括质量比为8:2的乙酸和去离子水；
S2、将待处理的平均直径为100nm的尼龙纳米纤维与步骤S1制备的分散剂共混得到预处理液，并对其进行机械搅拌处理，转速为5000r/min，搅拌时间为2min；即得尼龙纳米纤维悬浮液；预处理液中尼龙纳米纤维的固含量为溶剂质量的2.5wt％；其中，尼龙纳米纤维悬浮液中的尼龙纳米纤维的平均长度约为300μm，平均长径比为3000；悬浮液静置3天后无明显分层现象；
S3、将步骤S2中的尼龙纳米纤维悬浮液采用喷涂的方式制备得到尼龙纳米纤维膜；纤维膜的厚度为2μm。
请参阅图3所示，图3为实施例1制备的尼龙纳米纤维膜的扫描电子显微图片。从图中可以看出，尼龙纳米纤维膜具有连续覆盖的二维网状纤维结构，同时具有均匀的孔隙结构；因为尼龙纳米纤维经过分散处理，具有较好的分散效果，所以在喷涂过程中不仅实现了纳米纤维交联形貌的构筑，还使具有较好的孔隙率。
实施例2～4
实施例2～4提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中，实施例2～4分散剂分别为：只有乙酸不添加去离子水、质量比为7:3的乙酸和去离子水、质量比为9:1的乙酸和去离子水；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例1
对比例1提供了一种尼龙纳米纤维膜，该尼龙纳米纤维膜采用静电纺丝直接喷涂成膜的工艺制得的纳米纤维膜。
对比例2
对比例2提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中，分散剂包括质量比为5:5的乙酸和去离子水，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
测定实施例1～4和对比例1～2制备的尼龙纳米纤维膜的各性能指标如下表所示。
表1实施例1～4和对比例1～2的尼龙纳米纤维膜的各性能指标
由表1可知，当分散剂中乙酸和去离子水的比例为8：2时，尼龙纳米纤维膜的综合性能最好；而实施例2的分散剂中只有乙酸时，由于分散剂对尼龙纳米纤维溶解性提高，破坏了部分纤维的形态，导致其力学性能较实施例1变差；从对比例1可以看出，在现有技术中，静电纺丝后直接制备的尼龙纳米纤维膜的孔隙率低，过滤效率差，力学性能也较差，这些问题会影响该纤维膜的应用。对比例1为现有技术的尼龙纳米纤维膜，其力学性能和过滤效率较差，因为其尼龙纳米纤维膜的纤维粘结在一起，导致透气性降低；且纤维的结构均匀性差，未形成交联结构，因此具有此结构的纳米纤维膜的力学性能较差。对比例2可以看出，当分散剂中乙酸的浓度过低时，尼龙纳米纤维分散后制备的纤维膜的力学性能较差，这是由于分散剂对尼龙纳米纤维的分散效果不理想导致的。
实施例5～6
实施例5～6提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S1中，实施例5～6中分散剂的有机弱酸分别为丙酸、乙二酸，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
测定实施例5～6制备的尼龙纳米纤维膜的各性能指标如下表所示。
表2实施例5～6的尼龙纳米纤维膜的各性能指标
| 拉伸强度/MPa | 孔隙率/％ | 平均孔径/nm | 过滤效率/％ | |
| 实施例5 | 8.1 | 47 | 330 | 97 |
| 实施例6 | 8.6 | 45 | 280 | 97 |
| 实施例1 | 9.3 | 42 | 200 | 99 |
由表2可知，实施例1采用含乙酸的分散剂处理尼龙纳米纤维后，经喷涂制备的尼龙纳米纤维膜的综合性能最好；相比于乙酸，含丙酸、乙二酸的分散剂处理的尼龙纳米纤维，制备的尼龙纳米纤维膜的拉伸强度和过滤效率有所降低。
实施例7
本实施例提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S2中，转速为8000r/min，搅拌时间为3min；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。所制备的尼龙纳米纤维悬浮液中的尼龙纳米纤维的平均长度为100μm，平均长径比为1000
实施例8
本实施例提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜，与实施例1相比，不同之处在于，在步骤S2中，转速为3000r/min，搅拌时间为1min；所制备的尼龙纳米纤维悬浮液中的尼龙纳米纤维的平均长度为400μm，平均长径比为4000；其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例3
对比例3提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜，与实施例1相比，不同之处在于，分散剂为去离子水，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对比例4
对比例4提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜，与实施例1相比，不同之处在于，不进行步骤S2中的机械搅拌处理，其余大致与实施例1相同，在此不再赘述。
对尼龙纳米纤维采用对比例3和对比例4的方案进行处理后，尼龙纳米纤维完全不能分散，制备的悬浮液不均匀，且短时间内就会恢复分层状态，也无法进一步制备尼龙纳米纤维膜。
测定实施例7～8制备的尼龙纳米纤维膜的各性能指标如下表所示。
表3实施例1、7～8的尼龙纳米纤维膜的各性能指标
由表3可知，实施例1和实施例7～8可以看出，虽然机械搅拌速率越大，纤维平均长度越短，意味着纳米纤维悬浮液的稳定性越好；但是机械搅拌的速率和处理时间，影响悬浮液中纤维的长度和长径比，进而影响制备的尼龙纳米纤维膜的拉伸强度、孔隙率和过滤效率；所以需要选择合适的机械搅拌速率和时间，使得最终制备的尼龙纳米纤维膜的综合性能高。
综上所述，本发明提供了一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法、尼龙纳米纤维膜及应用，首先制备弱酸或弱酸和水的混合液作为尼龙纳米纤维的分散剂，在机械力的作用下对尼龙纳米纤维进行分散，取得了显著的分散效果，并将尼龙纳米纤维悬浮液通过喷涂的方法制备得到尼龙纳米纤维膜。本发明通过弱酸和机械力的协同作用下，在不影响尼龙纳米纤维的纤维形态情况下，实现了尼龙纳米纤维的稳定分散，使其更容易喷涂成尼龙纳米纤维膜；并通过喷涂制备尼龙纳米纤维膜，由于尼龙纳米纤维经过分散处理，具有较好的分散效果；使其在喷涂过程中不仅实现了纳米纤维交联、多纳米孔形貌的构筑，同时具有较好的透气性，提升了纤维膜的力学性能，还因良好的分散效果使得尼龙纳米纤维膜具有稳定的尺寸和结构，在应用时不易变形，克服了目前共聚物纳米纤维膜和纤维素纳米纤维膜耐高温高压差的缺点。该制备方法具有工艺简单、环保、安全、效果显著的特点，易于工业化批量生产；制备的尼龙纳米纤维膜具有良好的尺寸稳定性和力学性能，其综合性能达到了协同增强的效果，具有广阔的应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备分散剂，所述分散剂包括有机弱酸；
S2、将待处理的直径为50～500nm的尼龙纳米纤维与步骤S1制备的所述分散剂共混得到预处理液，并对其进行机械搅拌处理，得到单分散的尼龙纳米纤维悬浮液；所述预处理液中所述尼龙纳米纤维的固含量为溶剂质量的0.5wt％～5wt％。
2.根据权利要求1所述的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于，所述尼龙纳米纤维悬浮液中的尼龙纳米纤维的平均长度为10～500μm，长径比为20～10000。
3.根据权利要求1所述的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述分散剂还包括去离子水；所述去离子水和所述有机弱酸的质量比为(0～3):(10～7)；所述去离子水和所述有机弱酸的质量比优选为2:8。
4.根据权利要求1所述的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述机械搅拌处理的转速为3000～8000r/min；搅拌时间为1～3min，搅拌时间优选为2min。
5.根据权利要求3所述的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于，所述有机弱酸包括乙酸、丙酸、乙二酸中的一种或多种；所述有机弱酸优选为乙酸，并与所述去离子水配制所述分散剂。
6.根据权利要求1所述的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述尼龙纳米纤维悬浮液为均匀不分层的悬浮液，所述悬浮液静置3天后无分层现象。
7.一种尼龙纳米纤维膜，其特征在于，将权利要求1～6中任一项所述的尼龙纳米纤维悬浮液的制备方法制备得到的尼龙纳米纤维悬浮液喷涂得到尼龙纳米纤维膜。
8.根据权利要求7所述的尼龙纳米纤维膜，其特征在于，所述尼龙纳米纤维膜的厚度为1μm～3μm，拉伸强度为5～10MPa。
9.根据权利要求8所述的尼龙纳米纤维膜，其特征在于，所述尼龙纳米纤维膜的孔隙率为40％～60％，孔径范围为50nm～800nm，过滤效率为90％～99％。
10.一种权利要求7～9中任一项所述的尼龙纳米纤维膜的应用，其特征在于，所述尼龙纳米纤维膜应用于废液净化领域、电化学领域、气体或颗粒过滤膜领域、医药过滤领域以及服装领域。
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